多功能水系柔性钠离子电池

随着柔性显示屏和集成电路技术的不断发展,人们对柔性、可穿戴、可植入电子设备的需求不断提升。然而,现有的化学电源,如二次电池和超级电容器,均结构单一且不可形变,无法满足上述柔性电子设备的供电需求。因此,柔性二次电池或超级电容器的研究在近期得到了广泛的关注。但是,现有已报道的柔性二次电池或超级电容器,延用了传统化学电源的基本组成,往往采用了强酸、强碱、或易燃且有毒的有机溶液作为电解液。在反复弯曲或伸缩条件下,上述电解液的渗漏会造成安全性问题,因为上述电子设备的应用场所是接近体表甚至植入体内的。针对上述问题,iChEM研究人员,复旦大学化学系王永刚教授和复旦大学高分子系彭慧胜教授合作开发了基于钠锰氧正极和碳包覆磷酸钛钠负极的“带状”和“纤维状”水系钠离子电池体系。该工作的主要相关实验由化学系在读博士生郭昭薇和高分子系在读博士生赵阳共同完成。具有生物相容性的电解液(如生理盐水和细胞培养液等)被首次应用于上述电池体系。相关研究结果近期发表在Chem 2017, DOI:10.106/j.chempr.2017.05.004.

首先,这类柔性水系钠离子电池体系有望用作未来的柔性、可穿戴、可植入电子设备的化学电源。生物相容性电解液的使用可以消除或减小电解液渗漏所造成的安全性问题。研究结果表明,上述水系钠离子电池的体积比能量密度、功率密度、循环寿命优于多数已经报道的柔性二次电池或超级电容器。但是需要指出的是,这类水系柔性钠离子电池体系的质量比能量密度仍远小于现有商业化的锂离子电池,其主要源于水系电解液体系较窄的分解电压窗口(小于2V)和钠锰氧正极较低的比容量(45 mAh g-1)。因此,在未来的研究中,还需要开发具有更高比容量的电极材料,用于提升上述电池体系的能量密度。


纤维钠离子电池在生物相容电解液中的电化学消氧工作示意图

另一方面,该研究首次报道了纤维状电极在生物相容电解液(生理盐水或细胞组织液)中的电化学消氧功能。如图所示,该钠离子的消氧反应主要基于:正极的脱钠反应(Na0.44MnO2 → Na0.44-xMnO2 + xNa+ + xe-)和溶解氧在负极的电催化还原反应(O2 + 2H2O + 4e-→ 4OH-),电子则通过外电路由正极流向负极。该电化学反应能够消耗电解液中的氧气,并产生NaOH,改变局部pH值。近期有研究表明,通过化学纳米粒子的化学反应(Mg2Si + 4H+ + 2O2 → 2Mg2+ + 2H2O + SiO2)消除肿瘤细胞周围的氧气,并改变局部pH值,可以最终实现对癌症细胞的“饥饿”治疗(Zhang et al.Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 378-386)。因此,上述纤维钠离子电池的电化学消氧过程也有望应用于生物或医疗研究。对于一些药物难以到达的病灶,可以通过纤维电极的植入来实现消氧功能。但是,这只是其应用前景的一种假设,相应研究仍处于非常初级的阶段。实际应用不仅要考虑电解液的生物相容性,还要考虑电极材料的细胞毒性和生物相容性。进一步的研究尚需要和生物学家及医疗专家深度合作。

这一工作得到了国家自然科学基金优秀青年基金和面上项目(21622303,21373060)、国家重点基础研发项目(2016YFA0203302)和能源材料化学协同创新中心(2011-iChEM)的支持。

论文链接:http://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(17)30217-6
Stu Borman评论链接:
http://cen.acs.org/articles/95/web/2017/08/Flexible-batteries-safe-aqueous-electrolytes.html
新闻报道:https://www.news-line.com/NL_news28023_IV-And-Cellular-Fluids-Power-Flexible-Batteries

发布日期:2017/8/12 发布者:网站管理员 点击数:889【打印